Capitolo 1 : Robotica morbida
La robotica ha una sottosezione chiamata robotica morbida, che si concentra sulla progettazione, il controllo e la costruzione di robot realizzati con materiali flessibili, al contrario delle connessioni rigide. Quest'area della robotica è un sottocampo della robotica. Sebbene rispetto ai robot con corpo rigido realizzati con materiali come metalli, ceramica e plastica dura, la conformità dei robot morbidi può migliorare la loro sicurezza quando operano in prossimità di persone. Questo è in contrasto con i robot dal corpo rigido.
L'obiettivo del campo della robotica morbida è quello di sviluppare e costruire robot con corpi fisicamente flessibili e componenti elettrici. Ci sono occasioni in cui l'elasticità è limitata a una certa sezione della macchina. Ad esempio, i bracci robotici con corpi rigidi possono essere dotati di effettori finali morbidi in modo da poter afferrare e spostare delicatamente oggetti che hanno una forma irregolare o sono fragili. La stragrande maggioranza dei robot mobili con corpo rigido fa anche un uso strategico di componenti morbidi, come i piedini che assorbono gli urti o le articolazioni elastiche in grado di immagazzinare e rilasciare energia elastica. D'altra parte, la disciplina della robotica morbida tende a concentrarsi sullo sviluppo di macchine che sono per lo più o completamente realizzate con materiali morbidi. C'è un'enorme quantità di potenziale non sfruttato nei robot realizzati completamente con materiali morbidi. Uno dei vantaggi della loro flessibilità è che consente loro di entrare in spazi inaccessibili a corpi con una forma fissa, il che può essere utile in situazioni di soccorso in caso di calamità. Inoltre, i robot morbidi rappresentano un rischio minore quando interagiscono con gli esseri umani e quando vengono schierati all'interno del corpo umano.
Quando si tratta di progettare robot morbidi, la natura è spesso considerata una fonte di ispirazione. Ciò è dovuto al fatto che gli animali stessi sono costituiti principalmente da componenti morbidi e sembrano sfruttare la loro morbidezza per muoversi in modo efficiente in ambienti complessi quasi ovunque sulla Terra.
Poiché c'è una differenza nella concentrazione di soluti nel citoplasma e nel resto dell'ambiente cellulare, le cellule vegetali hanno la capacità innata di generare pressione idrostatica (potenziale osmotico). Gli ioni sono in grado di fluire avanti e indietro attraverso la membrana cellulare, il che consente alle piante di regolare la concentrazione del composto. Di conseguenza, l'impianto si adatterà a questo diverso livello di pressione idrostatica alterando sia la sua forma che il suo volume. Questo sviluppo di forma derivato dalla pressione è ideale per la robotica morbida e può essere imitato per generare materiali adattivi alla pressione tramite l'uso del flusso di fluidi. La robotica morbida è un campo emergente che combina elementi di robotica, biologia e informatica. Prevede la velocità con cui cambia il volume della cella:
è la velocità di variazione del volume.
è l'area della membrana cellulare.
è la conducibilità idraulica del materiale.
è la variazione della pressione idrostatica.
è la variazione del potenziale osmotico.
Utilizzando questo approccio, sono stati sviluppati e implementati sistemi di controllo della pressione per robot morbidi. Questi sistemi sono realizzati con resine morbide e sono caratterizzati da una serie di sacche fluide separate da membrane solo parzialmente permeabili. A causa della semipermeabilità, è possibile la trasmissione del fluido, che alla fine si traduce nella formazione di pressione. Questa interazione tra il movimento del fluido e la creazione di pressione si traduce in ultima analisi in un cambiamento di forma e volume.
Un controllo forte e preciso su un'articolazione può essere in gran parte ottenuto con l'uso di emolinfa compressa, che è una tecnica che è anche presa in prestito dal movimento del ragno e può essere utilizzata per sviluppare approcci simili alle articolazioni morbide idrauliche.
Quando si tratta della costruzione di robot morbidi, i processi di produzione tradizionali, come le procedure sottrattive come la foratura e la fresatura, sono di scarsa utilità poiché questi robot hanno geometrie complicate con corpi malleabili. Di conseguenza, sono stati ideati approcci più sofisticati al processo di produzione. La tecnica Shape Deposition Manufacturing (SDM), il metodo Smart Composite Microstructure (SCM) e la stampa 3D multimateriale sono esempi di queste tecnologie. Utilizzando questa tecnica, è stato possibile stampare un'ampia varietà di softrobot completamente funzionanti, alcuni dei quali sono in grado di piegare, torcere, afferrare e contrarsi movimenti. Questo metodo aggira alcuni dei problemi inerenti agli approcci più tradizionali di produzione, come la delaminazione che può verificarsi tra le sezioni incollate. Un'altra tecnologia di produzione additiva che genera materiali mutaforma con una forma che può essere attivata dal calore, dalla luce o dall'acqua. La forma può anche essere fotosensibile. In sostanza, questi polimeri sono in grado di alterare spontaneamente la struttura se esposti all'acqua, alla luce o al calore. La stampa di inchiostro reattivo alla luce utilizzando una stampante a getto d'inchiostro su un target in polistirene ha permesso di creare un esempio di materiale che può cambiare forma.
Al fine di creare le forze di risposta, necessarie per il movimento e il contatto con l'ambiente circostante, qualsiasi robot morbido deve disporre di un sistema di attuazione. A causa della natura flessibile di questi robot, i sistemi di attuazione morbida devono essere in grado di muoversi senza l'uso di materiali rigidi, come le ossa che si trovano negli organismi o il telaio metallico che si trova spesso nei robot rigidi. Ciononostante, esistono e sono state messe in pratica diverse soluzioni di controllo al problema dell'attuazione morbida; Ognuno di questi sistemi presenta una serie unica di vantaggi e svantaggi. Di seguito è riportato un elenco di diversi esempi di tecniche di controllo, insieme ai materiali pertinenti per ciascun approccio.
Un esempio di ciò potrebbe essere l'uso della forza elettrostatica, che potrebbe essere utilizzata in:
Gli attuatori dielettrici in elastomero (DEA) sono dispositivi di mutaforma realizzati con elastomeri controllati da un campo elettrico ad alta tensione (esempio di DEA funzionante).
Questi attuatori sono in grado di produrre forze significative.
hanno un'elevata potenza specifica (W kg-1), creano enormi deformazioni (>1000 percento), I materiali intelligenti e riconfigurabili noti come polimeri a memoria di forma (SMP) sono un eccezionale esempio di attuatori termici che possono essere utilizzati per l'azionamento. Anche questi materiali rientrano nella categoria dei materiali "intelligenti".
Quando la temperatura viene aumentata oltre un certo punto, questi materiali "ricorderanno" la loro configurazione precedente e torneranno ad essa.
Prendiamo, ad esempio:
i polimeri reticolati possono essere tesi a temperature superiori alla transizione vetrosa (Tg) o alla transizione di fusione (Tm) e quindi raffreddati.
Nel caso in cui la temperatura venga nuovamente aumentata, la tensione verrà alleviata e la forma del materiale tornerà a com'era prima di essere alterata.
Il poliuretano è un esempio di plastica (PU) per usi speciali, acido teraftalico a base di polietilene (PET), ossido di polietilene (PEO), oltre ad altre sostanze.
Un altro metodo di controllo per l'attuazione robotica morbida si basa su leghe a memoria di forma.
L'alterazione della pressione all'interno di un tubo flessibile è la base di un altro tipo di controllo utilizzato nella costruzione di robot morbidi noti come muscoli artificiali pneumatici. Per questo motivo, si comporterà in modo simile a un muscolo, accorciandosi e allungandosi quanto necessario per esercitare forza sul componente a cui è collegato. Poiché questi muscoli sono controllati da valvole, il robot può mantenere la sua forma senza richiedere ulteriori input di energia, pur essendo in grado di muoversi. Tuttavia, affinché questo approccio funzioni correttamente, è normalmente necessaria un'alimentazione esterna di aria compressa. Il controller derivativo integrale proporzionale, a volte noto come PID, è l'algoritmo più frequentemente utilizzato per i muscoli pneumatici. La regolazione delle impostazioni del controller PID consente di controllare la risposta dinamica dei muscoli pneumatici a vari livelli.
I robot fanno molto affidamento sui loro sensori come uno dei suoi elementi costitutivi più cruciali. Non dovrebbe sorprendere che i sensori ottimali per i robot morbidi siano i sensori morbidi. I sensori morbidi possono spesso monitorare la deformazione, il che consente di dedurre informazioni sulla posizione o sulla rigidità del robot.
Alcuni esempi di sensori morbidi includono quanto segue:
Sensori di allungamento morbido
Sensori di flessione dolce
Sensori di pressione morbidi
Sensori di forza morbidi
Questi sensori utilizzano le misure seguenti:
Piezoresistività: polimero costituito da particelle conduttive che vengono riempite, percorsi microfluidici (metallo liquido,), piezoelettricità, capacità, campi magnetici e
Perdita ottica, Perdita di qualità acustica
Successivamente, i risultati di queste misurazioni possono essere inseriti in un sistema di controllo.
Esiste un potenziale per l'uso della robotica morbida in campo medico, in particolare nelle procedure chirurgiche invasive. A causa della loro capacità di cambiare forma, i robot morbidi...
